一种集中与主动协同的低轨卫星系统切换方法

技术领域

本发明涉及一种集中与主动协同的低轨卫星系统切换方法，属于卫星通信中卫星切换技术领域。

背景技术

低轨卫星在近些年来受到了广泛的研究和关注。国外的Starlink与国内的虹云、鸿雁工程均推出了自己的近地轨道通信卫星星座。与中高轨卫星相比，低轨卫星具有低时延，低功耗和低成本等优点，具有广阔的发展前景。但由于LEO卫星具有移动速度快，轨道高度低，覆盖面积小等特点，用户在不同卫星之间的切换也更加频繁。卫星切换策略对用户通信质量和卫星网络负载影响巨大。

目前的卫星切换的常用方式有集中式切换和主动式切换。在集中式切换策略中，所有接入和切换请求由地面站统一收集管理做出决策，但在大规模用户切换的场景下，存在用户切换成功率较低的问题；在主动式切换策略中，切换请求由用户执行决策，可以及时切换到目的卫星，提高用户切换成功率，但网络中存在着大量重复的传输信令。

由上可以看出，以上两种卫星切换方法存在用户切换成功率和系统信令开销不能很好兼顾的问题。因此有必要提出一种合理有效的低轨卫星切换方法对现有切换方法加以改进。

发明内容

本发明的目的是提出一种适于大规模用户切换的集中与主动协同的低轨卫星系统切换方法，其目的是提高用户的切换成功率，均衡卫星网络负载，从而提升地面用户在卫星切换时的服务体验。

本发明的体系架构为集中与主动协同的低轨卫星系统切换体系架构，所有的地面用户分为两部分，处于接入卫星覆盖区域的中心位置的用户执行集中式切换，而处于接入卫星覆盖区域的边缘位置的用户或被阻塞的用户执行主动式切换。两部分用户切换相互协同，提高了总体用户的切换体验。

集中式切换是大量用户发送切换请求到连接卫星，卫星根据地理信息将用户进行分组并发送群组切换消息到地面站，地面站统一收集并管理所有LEO卫星的接入和切换请求，综合考虑用户性能和卫星网络负载均衡指标，执行集中式切换和判断用户是否需要进行星间切换，若用户需要切换，则地面站通知目的卫星和用户做好切换的准备；

主动式切换是小区边缘用户或被阻塞的用户收集卫星信息，通过由卫星的剩余可见时间、卫星仰角组成的效用函数，选择效用函数最大的卫星作为目的卫星，并向目的卫星发送切换请求，进而保证用户可以及时切换到目的卫星。

所提的协同切换方法，让大部分通信质量较好的用户执行集中式切换，有效减少了系统信令开销；让小部分容易中断通信的用户执行主动式切换，避免降低了用户切换成功率。二者相辅相成，优化了卫星通信网络的整体性能，降低了切换延迟和能耗。

集中与主动协同的低轨卫星系统切换方法如下：

S1网络建模：

假设卫星通信系统中有M个卫星和N个需要卫星切换的用户。卫星集合为S＝{s

根据用户信号强度与容忍阈值的大小关系将所有用户分为两类：若用户的信号强度大于容忍阈值，则该用户属于集中式切换用户u

S2协同的低轨卫星系统切换方法，步骤如下：

1)在每个循环周期开始，连接卫星覆盖区域内的用户测量其信号强度，并判断信号强度是否小于容忍阈值。若是，则转2)。若否，则转3)。

2)用户执行主动式切换算法并向目的卫星发送请求切换消息，目的卫星判断自身是否有剩余带宽资源。若有，切换成功，则转4)。若没有，切换失败，则转4)。

3)接入卫星根据地理位置信息使用K-means算法对用户进行分组并发送群组切换请求消息到地面站，地面站执行集中式切换算法并发送群组切换请求消息到目的卫星，目的卫星判断自身是否有剩余带宽资源。若有，切换成功，则转4)。若没有，切换失败，则转2)。

4)增加用户数量进行新一轮的循环周期，并判断用户数量是否为预定最大值。

若否，则转1)。若是，方法结束。

上述第2)步，小区边缘用户或被阻塞用户执行主动式算法，目标函数及约束条件如下：

目标函数：

约束条件：

b

θ

式(1)选取使得F

式(2)限制单个用户切换所需带宽小于卫星切换时所提供的带宽。

式(3)限制卫星仰角和剩余可见时间大于零。

若c

上述第3)步，信号强度较好的用户执行集中式算法，考虑到降低系统的信令开销，因此在卫星上利用K-means算法将用户分组，并发送群组请求消息到地面站进行统一处理。目标函数及约束条件如下：

目标函数：

约束条件：

b

θ

式(4)选取使得F

其中公平性因子保证每个卫星的负载尽可能的均衡，其定义如下：

f

若

S3系统信令开销分析：

协同切换方法可以根据用户地理位置对用户进行分组，以群组的形式发送请求切换消息，大大降低了系统的信令开销。信令开销可由式(8)给出：

其中，M

本发明的效果如下：该方法较已有的集中切换算法和主动式切换算法能够提高用户切换成功率，同时较主动式切换算法降低了系统信令开销，可以有效提高用户在进行卫星切换时的体验质量。

附图说明

图1.集中与主动协同的低轨卫星系统切换体系架构图。

图2.集中与主动协同的低轨卫星系统切换方法流程图。

图3.用户切换成功率比较图。

图4.系统信令开销比较图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种集中与主动协同的低轨卫星系统切换体系架构，并提出了一种低轨卫星系统协同切换的方法。所提的协同的低轨卫星系统切换方法和集中式切换相比，因为位于接入卫星覆盖区域边缘的用户信号强度较弱，很有可能发生卫星切换不成功的情况，用户便主动向目的卫星发送切换请求，及时切换到目的卫星，可以有效提高能够提高用户切换成功率和在进行卫星切换时的体验质量；所提协同切换方法与主动式切换相比，可以将地理位置相近的多个用户聚合为一个分组，发送群组请求消息，大大减少了信令的重复传输，降低了系统信令开销。

本发明的体系架构为集中与主动协同的低轨卫星系统切换体系架构，所有的地面用户分为两部分，处于接入卫星覆盖区域的中心位置的用户执行集中式切换，而处于接入卫星覆盖区域的边缘位置的用户或被阻塞的用户执行主动式切换。两部分用户切换相互协同，提高了总体用户的切换体验。

集中式切换是大量用户发送切换请求到连接卫星，卫星根据地理信息将用户进行分组并发送群组切换消息到地面站，地面站统一收集并管理所有LEO卫星的接入和切换请求，综合考虑用户性能和卫星网络负载均衡指标，执行集中式切换和判断用户是否需要进行星间切换，若用户需要切换，则地面站通知目的卫星和用户做好切换的准备；

主动式切换是小区边缘用户或被阻塞的用户收集卫星信息，通过由卫星的剩余可见时间、卫星仰角组成的效用函数，选择效用函数最大的卫星作为目的卫星，并向目的卫星发送切换请求，进而保证用户可以及时切换到目的卫星。

所提的协同切换方法，让大部分通信质量较好的用户执行集中式切换，有效减少了系统信令开销；让小部分容易中断通信的用户执行主动式切换，避免降低了用户切换成功率。二者相辅相成，优化了卫星通信网络的整体性能，降低了切换延迟和能耗。

集中与主动协同的低轨卫星系统切换方法如下：

S1网络建模：

假设卫星通信系统中有M个卫星和N个需要卫星切换的用户。卫星集合为S＝{s

根据用户信号强度与容忍阈值的大小关系将所有用户分为两类：若用户的信号强度大于容忍阈值，则该用户属于集中式切换用户u

S2协同的低轨卫星系统切换方法：

图2为基于集中与主动协同的低轨卫星系统切换方法的流程图，步骤如下：

5)在每个循环周期开始，连接卫星覆盖区域内的用户测量其信号强度，并判断信号强度是否小于容忍阈值。若是，则转2)。若否，则转3)。

6)用户执行主动式切换算法并向目的卫星发送请求切换消息，目的卫星判断自身是否有剩余带宽资源。若有，切换成功，则转4)。若没有，切换失败，则转4)。

7)接入卫星根据地理位置信息使用K-means算法对用户进行分组并发送群组切换请求消息到地面站，地面站执行集中式切换算法并发送群组切换请求消息到目的卫星，目的卫星判断自身是否有剩余带宽资源。若有，切换成功，则转4)。若没有，切换失败，则转2)。

8)增加用户数量进行新一轮的循环周期，并判断用户数量是否为预定最大值。

若否，则转1)。若是，方法结束。

上述第2)步，小区边缘用户或被阻塞用户执行主动式算法，目标函数及约束条件如下：

目标函数：

约束条件：

b

θ

式(1)选取使得F

式(2)限制单个用户切换所需带宽小于卫星切换时所提供的带宽。

式(3)限制卫星仰角和剩余可见时间大于零。

若c

上述第3)步，信号强度较好的用户执行集中式算法，考虑到降低系统的信令开销，因此在卫星上利用K-means算法将用户分组，并发送群组请求消息到地面站进行统一处理。目标函数及约束条件如下：

目标函数：

约束条件：

b

θ

式(4)选取使得F

其中公平性因子保证每个卫星的负载尽可能的均衡，其定义如下：

f

若

S3系统信令开销分析：

协同切换方法可以根据用户地理位置对用户进行分组，以群组的形式发送请求切换消息，大大降低了系统的信令开销。信令开销可由式(8)给出：

其中，M

方案应用在如图1所示的低轨卫星系统切换体系架构下，系统的载波频率为1500MHz，卫星数目的大小为5，高度为780km，卫星系统带宽为500MHz。仿真过程中不断增加用户数目，并通过所提的协同切换算法得到用户成功切换率。

在上述仿真条件下，本实例对系统用户数目为10到400区间，以10为间隔逐点进行仿真，得到系统用户的切换成功率，并将所提的基于集中式与主动式协同的卫星切换方法的性能与现有的集中式切换方法和主动式切换方法进行比较。比较结果如图3所示，由于用户分组结果比较随机，故方块曲线较为波动。而所提的协同切换算法会将同一时刻进行卫星切换的用户分到不同的群组和切换到不同的卫星上，避免了短时间内可能大量用户向同一颗卫星发送切换请求，造成卫星资源短缺，部分用户切换失败的问题。可以看出在用户切换成功率方面，所提算法优于其他算法。图4为不同用户数目下系统信令开销。与主动式切换相比，基于用户分组的协同切换策略将多个用户的切换请求聚合为一个群组切换请求，从而降低了系统的信令开销。